航空及武器裝備領域基于可靠性的維修的發展經驗 對其在石化領域應用的啟示

孫偉峰，張興芳，宣征南，劉雁，李志海

（1太原理工大學化學化工學院，山西 太原 030024；2廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000）

以可靠性為中心的維修理論認為，一切維修活動歸根結底都是為了保持和恢復設備的可靠性[1]。根據設備的可靠性狀況，基于可靠性的維修（RCM）是以最少的資源消耗，進行裝置系統劃分，用邏輯決斷分析法來確定所需要的維修任務、維修類型、維修間隔期和維修級別，制定出預防性維修大綱，從而達到優化維修并維持裝備可靠性的目的[2-3]。RCM的基本分析流程和外圍工作如圖1所示[4]。

20世紀60年代末在美國航空界，首次應用RCM制定維修大綱的是波音747 公司[5]。1988年，John Moubray針對工業設備發展了“Failure Mode，Effect and Criticality Analysis”的概念[6]，并稱之為“以可靠性為中心的維修”。1991年，John Moubray提出了 RCMⅡ[7]，強調了可靠性的主要特點和故障性質，也強調了環境保護問題。RCM很早就在國外大型石化公司如ExxonMobil、ConocoPhillips等應用成功[8]。著名風險評價專業公司挪威船級社（DNV）[9]，很早開始就一直為石油石化企業提供設備維護的RCM 咨詢服務。英國天然氣輸送公司UK Gas采用RCM理論制定維護計劃，既降低了故障率，又節省了大量維護開支[10]。加拿大NOVA 天然氣輸送公司也采用了RCM理論正在逐步滿足社會越來越高的安全和環境的要求[11]。相比國外，國內將RCM引進石化領域的時間就比較晚，為了更好地在石化領域開展RCM分析，因此借鑒其他領域RCM發展的經驗是十分有必要的。下面首先介紹了RCM在航空和武器裝備兩個領域發展中遇到的問題和解決方案，研究熱點等。并分別對比航空、武器領域，反觀石化領域應用RCM的同類熱點、難點等，并總結了幾點可借鑒的RCM發展經驗。然后單獨介紹了幾個RCM在石化領域發展的焦點問題和最新研究成果。最后總結三個領域RCM總體發展狀況，為RCM在石化領域今后的發展作參考。

1 RCM在航空領域的發展經驗對其在石化領域發展的指導

RCM首先在航空界有較大發展，美國波音747公司在20世紀90年代應用大量可靠性維修性數據和成果使維修費用降低15%[12]。從圖1看RCM分析都要依賴于可靠性數據，然而我國民用飛機可靠性維修性工作卻缺乏基礎數據[13]。小子樣系統評估是解決數據不足的一個手段，余國林[14]研究了飛機在小子樣系統評估方法。張恒喜教授、郭基聯博士等[15]建立了飛機小樣本壽命周期費用預測模型。由于數據缺乏，所以數據信息的充分利用尤為重要，何江[16]就基于信息融合技術研究了民航飛機可靠性數據分析，Niu等[17]提出了基于數據融合和以可靠性為中心的狀態檢測維修系統，為數據融合技術與RCM的結合提供了很好的理論借鑒。然而小子樣評估、數據融合技術等方法不能根本解決這一問題，建立可靠性數據庫才是解決問題的關鍵。其中耿端陽等[18]應用Access工具開發了裝備系統級維修經驗數據庫。在飛機維修中開發基于可靠性維修模型是研究的熱點，尤其是維修優化模型。民用飛機的維修成本約為飛機購買價格的 50%～120%，是飛機全壽命周期成本中最具影響力的組成部分[19]，因此以維修成本最小為目標的維修優化模型成為了研究熱點，這為航空領域RCM分析提供了科學的優化策略。梁劍[20]以維修成本最小為目標建立了優化的航空發動機視情決策模型。Dieter Scholz 教授和他的學生[21]提出了DOCsys 系統經濟性分析模型方法直接用于評估飛機系統直接運營成本。

圖1 RCM分析流程圖[4]

總的來說，RCM在航空領域的發展難點之一在于缺乏廣泛的可靠性數據支持，熱點之一在于以維修的經濟性為目標進行維修決策的優化。RCM在化工領域的發展難點和熱點也囊括了這些。國內化工裝置、設備以及零部件廣泛缺乏失效數據[22]。從航空領域RCM發展可以看出，要解決這一問題，需要建立各種化工設備的數據庫。國外已建成了Offshore Reliability Data（OREDA）數據庫，該數據庫不但包括了靜設備，如反應器、容器的失效數據，還包括動設備壓縮機，泵等的失效數據[23]。其他可以借鑒的數據庫還有WASH21400 數據庫、Bib-electronic Parts Reliability Data Book （NPRD） 以及US Source of Power Generation Data （Industry Specific） 數據庫等。除此之外，上文中提到的小子樣系統評估和數據融合技術也能在一定程度上解決可靠性數據缺乏這一問題。石化領域的設備的維修優化模型與航空領域一樣，主要是以經濟性為目標，如郭麗潔等[24]以單位時間內維修費用最小為目標建立了定量石化旋轉機械化視情維修周期優化模型。

2 RCM在武器裝備領域的發展經驗對其在石化領域發展的指導

RCM在軍事裝備領域推廣過程中主要遇到的問題有：缺乏可靠性數據或數據太繁雜造成的數據管理不科學；RCM邏輯決斷圖不完善；缺少定量的數學決策模型支持；缺乏高效科學的RCM決策支持系統等[25]。武器裝備缺乏可靠性數據的主要原因是：新式武器研發速度快，而且歷史維修數據少，建立可靠性數據庫是比較困難的。在這種情況下小樣本評估方法和數據融合等技術就發揮了作用。武器裝備種類多，每種武器有自身的特點，因此要根據武器裝備自身特點來修改圖1中RCM基本分析流程，建立更貼近實際應用的邏輯決斷流程。趙建忠等[26]根據導彈裝備自身特點，對國軍標GJB1378A[27]中規定的RCM項目進行了裁剪；黃建軍等[28]針對雷達的特點提出了改進的RCM分析過程。另外大型武器裝備所含設備數量及類型日益增大，而傳統逐件遞推的邏輯決斷分析過程繁雜，戴蓉等[29]根據傳統決斷過程的這一缺點，將風險評估引入決斷過程，過濾掉了風險低的項目故障，這種精簡RCM分析工作量的方法值得借鑒。對于決策過程缺乏模型支持，在航空領域主要提到了以維修經濟性為目標的優化決策模型，武器裝備中很多也是以維修經濟性為目標制定維修周期模型的研究：龐明泰等[30]針對裝甲裝備定時維修過剩問題研究了以費用最小為目標的定時維修間隔期模型的建立；俞金松等[31]對導彈建立了以總費用最小、有效度最大的雙目標的維修周期模型。許多武器裝備系統或者民用工業設備，常常為了保證系統的可用度，需要對其進行定期檢查。因此，在武器裝備領域中，研究以最大有效度為目標制定的維修周期是很有意義的。除了文獻[31]，谷玉波等[32]研究了基于可用度分析的故障檢查間隔期的確定；劉福勝等[33]建立了裝甲裝備的穩態可用度模型。

與武器裝備領域相同，石化領域的裝置和設備種類也是數不勝數，因此改進與裝置或設備相適應的分析決斷流程是十分必要的。文獻[24]依據旋轉機械的特性，提出了一種基于RCM的邏輯決斷過程，該文獻中的方法與文獻[29]都精簡了RCM分析流程的工作量，然而文獻[29]通過風險評估過濾了風險低的故障項目，王世達等[34]在對離心壓縮機進行RCM分析時也用到了文獻[31]中的方法，將風險矩陣引入到邏輯決斷中。文獻[4]開發了一種應用于往復式壓縮機的以可靠性為中心的智能維修決策模型，這種模型為企業開發制度化的設備管理模式奠定了基礎。前文主要介紹了石化領域以經濟性為目標的維修周期優化模型，但以穩態可用度為目標的維修周期優化模型則比較少。以穩態可用度為目標的維修周期優化模型主要用于長期放置不用的冗余設備，而化工裝置中有很多冗余設備，因此可以將武器裝備領域這一方面的應用逐步引進到石化裝置中。其中蘭建義等[35]依據最大有效度原則對煤化工中的綜采設備檢修周期進行了優化，王娟等[36]依據最大有效度原則對加熱爐的預防性維修任務間隔期進行了優化。

3 RCM在石化領域發展中的其他主要問題

在石化領域，除了前文提到的可靠性數據的獲取，RCM分析模型的建立以及優化模型的建立是難點之外，RCM目前在石化領域的發展還有很多其他問題。目前很多學者在研究石化裝備的FMEA 分析，希望建立定量化的風險等級，而不單單只是摻雜很多主觀因素的邏輯決斷。項漢銀[37]研究了通過矩陣的方式代替FMEA邏輯決斷圖，從而量化風險等級。胡少波[38]對螺栓-法蘭系統在定性分析FMECA的基礎上，利用模糊數學法[39]提出基于RCM的定量分析方法，對該系統故障進行了風險評估，模糊數學法主要解決了風險分析中故障危害度的計算存在較大模糊性這一難題。FMEA或FMECA都是有局限性的，尤其是對于多功能，多零部件組成的復雜系統，進行分析很繁瑣，而且不能考慮人為因素、環境影響和軟件誤差造成的影響，一般將FMECA和故障樹分析法（FTA）結合使用效果更好[40]。

前文提到了以維修費用最少、有效度最大為目標的維修周期優化模型，除了這兩種優化模型，基于故障風險的維修間隔期優化模型在機械領域也很盛行。Wang等[41]依據風險最優化為目標優化了預防性維修內容和維修間隔期，張耀輝等[42]提出基于等故障風險理論，建立了新產品狀態維修變間隔期檢測模型；楊春節等[43]提出了帶可靠度約束的優化模型，該可靠度應該控制在允許的最低可靠度以上，以保證設備的正常運轉；韓邦軍等[44]針對大多數機械維修只考慮維修成本約束沒考慮可靠性約束提出了基于可靠度約束的預防性維修優化策略。這類基于風險性或可靠性的優化模型可適用于具有安全或環境影響的故障后果的機械產品狀態維修檢測間隔期的確定。石化方面應用這一成果比較少，然而石化行業有很多危及安全或環境的故障，所以在石化行業研究這類優化模型很有意義。

4 RCM主要發展問題和經驗借鑒

為了更好的觀察RCM發展問題、解決方案和應用經驗，通過以上內容，總結三個領域RCM總體發展狀況，并繪制成RCM主要發展問題和經驗借鑒表，見表1。通過表1，更好的為RCM在石化領域今后的發展作參考。

5 結 論

（1）RCM在石化領域、航空領域、武器裝備領域等眾多領域中主要存在的問題是可靠性數據缺乏，RCM分析模型和優化維修模型建立，開發符合特定裝備的RCM分析決斷模型。

（2）通過對比航空領域、武器裝備領域RCM的發展，并結合石化領域的RCM發展，總結了RCM在發展過程中的問題和主要經驗借鑒方案表，見表1。

（3）了解了RCM 未來的發展方向，其中包括建立重要化工裝置、設備、零件的可靠性數據庫，建立依靠計算機輔助開發智能的維修管理系統，更多的建立支持RCM理論的分析模型和優化模 型等。

表1 RCM主要發展問題和經驗借鑒

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